Fizyka jądrowa

Budowa jądra atomu

• Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów wiązanych siłamijądrowymi, niezależnymi od ładunku.

• Neutron i proton określa się wspólną nazwą nukleon.

• Jądra o tej samej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronównazywamy izotopami.

• Łączna liczba protonów i neutronów w jądrze liczba masowa Ajądra.

• Liczba neutronów jest dana równaniem A − Z, (Z jest liczbą protonówzwaną liczbą atomową).

• Wartość liczby A dla jądra atomowego jest bardzo bliska masieodpowiadającego mu atomu.

Atom pierwiastka X o liczbie atomowej Z i liczbie masowej A oznaczamy

symbolem XAZ

Pomiary rozpraszania wysokoenergetycznych protonów lub neutronów na jądrach atomowych jądra mają kształt kulisty

średni promień jąder (oprócz najmniejszych)

gęstość317 kg/m103.2NM

Liczba nukleonów (na jednostkę objętości) dla jądra o promieniu Ri liczbie masowej A

344

331153

mnukleonów/1038.1

])102.1[(34

34

Am

A

R

AN

Masa protonu = masie neutronu M = 1.67·10-27 kg.

m).( /31151021 AR

Oddziaływanie nukleon-nukleon

Siła jądrowa (oddziaływanie silne) wiąże nukleony w jądrach atomowych większa niż siła odpychania elektrostatycznego występująca pomiędzy protonami.

Energia potencjalna oddziaływania nukleon – nukleonw porównaniu z energią odpychania proton – proton

Oddziaływania proton - proton, proton - neutron i neutron - neutron są identyczne i nazywamy je oddziaływaniami nukleon - nukleon.

Masy atomowe i energie wiązań można wyznaczyć doświadczalnie w oparciu ospektroskopię masową lub bilans energii w reakcjach jądrowych.

JednostkiMasa jest podawana w jednostkach masy atomowej (u). Za wzorzec przyjmuje się1/12 masy atomowej węgla.

Z A Masa (u) ΔE (MeV) ΔE/A0 1 1.0086654 - -1 1 1.0078252 - -2 4 4.0026033 28.3 7.074 9 9.0121858 58.0 6.456 12 12.0000000 92.2 7.688 16 15.994915 127.5 7.97

29 63 62.929594 552 8.5050 120 119.9021 1020 8.0274 184 183.9510 1476 8.0292 238 238.05076 1803 7.58

01n

11 H

24 He

49 Be

612 C

816 O

2963Cu

50120Sn

74184 W

92238 U

Przykład: porównujemy masę atomu z sumą mas jego składników 24 He

u.HeM 0026033442

u u .· u .·nMHM 0329812.400866541200782521222 10

11

Masa helu jest mniejsza od masy składników o 0.0303779 u

Dla każdego atomu jego masa jest mniejsza od masy składników o wielkość ΔM zwaną niedoborem masy lub defektem masy.

2mcE

Gdy układ oddzielnych swobodnych nukleonów łączy się w jądro - energia układu zmniejsza się o wartość ΔE energii wiązania jądra.

2McE

Z teorii względności:

Najsilniej są wiązane nukleony w jądrach pierwiastków ze środkowej części układu okresowego.

Krótki zasięg sił jądrowych wielkość ΔE/A nie jest stała !!!

Rozpady jądrowe zachodzą jeśli jądro znajdzie się w stanie energetycznym, nie będącym najniższym możliwym dla układu o danej liczbie nukleonów.

Znane są trzy rodzaje promieniowania:

• alfa (a ) - jądra helu,

• beta (b ) - elektrony lub pozytony,

• gamma (g ) - fotony.

Informacje o jądrach atomowych ich budowie, stanach energetycznych, oddziaływaniach; również informacje o pochodzeniu Wszechświata.

Rozpady jądrowe

Jądra nietrwałe pochodzenia naturalnego są nazywane promieniotwórczymi, a ich rozpady noszą nazwę rozpadów promieniotwórczych.

99

jądra stabilne jądra promieniotwórcze

10

Maria Curie – Skłodowska została dwukrotnie uhonorowana Nagrodą Nobla:

W dziedzinie fizyki w 1903 r. wraz z mężem Piotrem Curie oraz Becquerelem za prace nad promieniotwórczością (Becquerel odkrył promieniotwórczość).

W dziedzinie chemii 1911 r. za rozwój chemii dzięki odkryciu polonu i radu oraz za zbadanie metalicznego radu i jego związków chemicznych.

Maria Curie Skłodowska, Pierre Curie i Antoine Henri Becquerel

1111

Rozpad alfa

Rozpad alfa przemiana niestabilnego jądra w nowe jądro przy emisji jądra 4He tzn. cząstki a. Występuje zazwyczaj w jądrach o Z ≥ 82.

0 50 100 150 200 2500

2

4

6

8238U

184W120Sn

63Cu16O

7Li

12C

9Be

4He

3H

2H

E

/A

Liczba masowa A

Dla ciężkich jąder energia wiązania nukleonu maleje ze wzrostem liczby masowej zmniejszenie liczby nukleonów (w wyniku wypromieniowania cząstki a ) powstanie silniej związanego jądra.

Proces zachodzi samorzutnie bo jest korzystny energetycznie.

Energia wyzwolona w czasie rozpadu (energetyczny równoważnik niedoboru masy) jest unoszona przez cząstkę a w postaci energii kinetycznej.

Przykład: MeV 4.2HeThU 42

23490

23892

1212

Rozpad beta

Jeżeli jądro ma większą od optymalnej liczbę neutronów to w jądrze takim zachodzi przemiana neutronu w proton - rozpad beta (minus) β¯ .

vepn

ve NpU 239239Przykład: ve PuNp 239239

ν - neutrino

Gdy jądro ma nadmiar protonów to zachodzi proces przemiany protonu w neutron- rozpad beta (plus) β +.

venp

ν - antyneutrino

Promieniowanie gamma

Rozpadom alfa i beta towarzyszy zazwyczaj emisja wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniowaniem gamma (g ). Widmo promieniowania g ma charakter liniowy i bardzo wysoką energię (tysiące razy większą od energii fotonów wysyłanych przez atomy).

13

jądra stabilne jądra promieniotwórcze

14

Prawo rozpadu nuklidów

Eksperyment liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu jest proporcjonalna do aktualnej liczby jąder N .

tNN dd - stała rozpadu

tN

Nd

d

ttN

N

tNN

0

)(

)0(

dd t

N

tNNtN

)0(

)(ln)0(ln)(ln te

N

tN )0(

)(

teNtN )0()(

N (0) jest liczbą jąder w chwili t = 0, a N (t ) liczbą jąder po czasie t.

1515

N można opisać poprzez średni czas życia jąder t

1

teNN 0

Szybkości rozpadu czasu połowicznego rozpadu (zaniku) T.

T czas, po którym liczba jąder danego rodzaju maleje do połowy

TeNN 002

1Te2

693.02lnT

Czasy połowicznego zaniku pierwiastków leżą w bardzo szerokim przedziale.

238U T = 4.5·109 lat (porównywalny z wiekiem Ziemi), 212Po T = 10-6 s.

1616

Datowanie

Znajomość czasu połowicznego rozpadu rozpad radionuklidów = zegar

Przykłady:

• 40K 40Ar z T = 1.25x109 lat pomiar proporcji 40K/40Ar w skałach pozwala ustalić ich wiek. Podobnie 235U 207Pb (cykl rozpadów). Pomiary meteorytów, skał ziemskich i księżycowych wiek Ziemi około 5x109 lat

• Krótsze okresy czasu datowanie radioaktywnym węglem 14C (T = 5730 lat)

14C powstaje w atmosferze w wyniku bombardowanie przez promieniowanie kosmiczne azotu. 1 atom 14C przypada na 1013 atomów 12C (CO2) w organizmach żywych równowaga izotopowa.

Po śmierci wymiana z atmosferą ustaje ilość radioaktywnego węgla maleje (rozpad) określenie wieku materiałów pochodzenia biologicznego.

Siły jądrowe bardzo krótki zasięg gdy odległość nukleon-nukleon > 2.5·10-15 m to oddziaływanie słabsze.

Zjawiska rozszczepienia i syntezy jądrowej

nukleon jest przyciągany przez coraz większą liczbę sąsiednich nukleonów

Reakcje jądrowe

Jeżeli ciężkie jądro rozdzielimy na dwie części dwa mniejsze jądra są silniej wiązane od jądra wyjściowego te dwie części mają masę mniejszą niż masa jądra wyjściowego.

Bombardowanie jądra neutronami o niskiej energii rozszczepienia uranu 235U i plutonu 239Pu.

W reakcji rozszczepienia wydziela się energia.

Źródło energii reaktora jądrowego

Reakcja rozszczepienia

Spontaniczne rozszczepienie naturalnego jądra jest na ogół mniej

prawdopodobne niż rozpad a tego jądra.

235 236 140 94 2U n U Xe Sr n typowa reakcja rozczepienia:

W reakcji rozszczepienia powstaje naogół kilka neutronów.

Mamy do czynienia z lawinową reakcją łańcuchową.

1. Blok reaktora 2. Komin chłodzący 3. Reaktor 4. Pręty kontrolne 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6. Generator pary 7. Zbiornik paliwa 8. Turbina 9. Prądnica 10. Transformator 11. Skraplacz 12. Stan gazowy 13. Stan ciekły 14. Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka 17. Układ chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21. Pompa

Elektrownia jądrowa

Reakcja syntezy jądrowej

Masa dwóch lekkich jąder > masa jądra powstającego po ich połączeniu.

Wydziela się energia związana z różnicą mas.

Reakcje, które wymagają takich temperatur nazywamy reakcjami termojądrowymi

Przeszkoda odpychanie kulombowskie protony trzeba zbliżyć na 2·10-15 m

Reakcja jest możliwa w temperaturze około 5·107 K.

Metoda perspektywiczna - dysponujemy nieograniczonym źródłem deuteru wwodzie mórz i oceanów.

Przykład: połączenie dwóch deuteronów w jądro helu 0.6% masy zostajezamienione na energię.

H21

Cykl wodorowy

Masa jądra helu stanowi 99.3% masy czterech protonów wydziela się energia związana z różnicą mas.

Energia wytwarzana przez Słońce w ciągu sekundy 592 miliony ton wodoru zamieniają się w 587.9 milionów ton helu.

Różnica tj. 4.1 miliony ton jest zamieniana na energię (w ciągu sekundy). Odpowiada to mocy około 4·1026 W.

23

Źródła energii gwiazd

Źródłem energii, które przeciwdziała grawitacyjnemu zapadaniu się gwiazdy są reakcje termojądrowe.

ciśnienie termiczne (wynik reakcji termojądrowych) = ciśnienie grawitacyjne

hgp gg2

1

gRPg 2

1 2R

GMg S

R

MGP S

g 2

1

pT m

kTP

mp - masą protonu (masa atomu wodoru ≈ masa protonu)

R

GM

mkT S

p

21

kT

mGMR pS

2 R = 7·108 m

T 107 K

___2

___2 v

3

1vm'n

3

1p

ITER – reaktor termojądrowy w budowie

International Thermonuclear Experimental Reactor

w pobliżu Marsylii, na południu Francji (koszt 10 miliardów €)